（食品科学专业论文）超临界CO2流体从胡萝卜中萃取β—胡萝卜素及其特性研究.pdf

摘要 y 9 1 9 2 8 2 对超临界c o 。流体萃取萝h 中萃取b 一胡萝卜素的工艺条件；b 一胡萝 h 素的体外抗氧化活性及其与p g 、b h t 、v 。的体外协同抗氧化情况；b 一胡 萝h 素的热稳定性、热变性动力学、光稳定性情况进行了研究。结果表明， 采用超临界c 0 ：流体萃取技术从胡萝卜中萃取b 一胡萝- 索的最优条件组合 为：萃取压力2 5 m p a ，萃取温度5 0 ，c 0 ：流量1 3 k g h ，萃取时间3 5 h ； 各因素的影响顺序为：萃取压力 萃取温度 萃取时间 c o 。流量。不同浓 度的b 一胡萝卜素对d p p h 均有明显的清除作用，且浓度越大清除作用越 强，反应进行到8 m ir l 时，浓度为2 0 m g l 的b 一胡萝卜素自由基清除率为 i 敷隅。浓度为1 6 0 m g l 的e 一胡萝p 素自由基清除率为6 7 7 ，是前者的 4 6 裙j ”渗绉龌萝卜素清除自由基的能力与v 。相当，强于b h t ，但弱于p g ： b 一胡萝卜素与p g 、v 。均有协同抗氧化作用，其中，p g 与b 一胡萝b 素的协 同抗氧化效果极明显，反应开始的1 m i n 之内，p g + b 一胡萝h 素的自由基清 除率即达到5 1 9 6 ，分别比p g 、b 一胡萝卜素的自由基清除率高8 8 和 2 7 7 9 ；与b h t 无明显协同抗氧化作用。6 一胡萝b 素对热相对稳定，7 0 加热3 0 m i n ，其活性保留率为9 1 4 ，即使加热温度高达9 0 ，加热l o m i l 3 ， 其活性保留率仍可达到8 6 5 ；依据热力学方程计算，b 一胡萝h 素的热变 性属于1 1 级反应，在7 0 、7 5 、8 0 及9 0 条件下，b 一胡萝卜素变 性的d 值分别为6 6 7 3 5m i i i 、5 8 7 4 5m i n 、5 4 4 9 5m i l 3 、3 7 1 2 8 m in ，在 此温度范围内b 一胡萝卜素变性的z 值为8 0 5 34 c 。光照对b 一胡萝卜素有 明显的破坏作用，仅半天时间，其活性保留率即下降到5 1 2 0 ，光照7 天， 其活性保留率仅为1 0 9 ，几乎完全遭到破坏；室内自然光及置于暗处对 其影响较小，保存7 天后活性保留率仍然较大，分别为8 5 5 9 和9 4 8 0 。 关键词：b 一胡萝p 素；超临界c o ：流体萃取；体外抗氧化活性；稳定性 s t u d i e so n1 3 - c a r o t e n ee x t r a c t e do fc a r r o tb y s u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ea n di t sc h a r a c t e r a b s tr a c t i tw a sd o n et oo b t a i nt h eo p t i m a lc o n d i t i o ne x t r a c t i n gb - c a r o t e n ef r o m c a r r o tb ys u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d e ，a n dt h ee f f e c t so fe x t r a c t i n gp r e s s u r e ， t e m p e r a t u r e ，t i m ea n dc a r b o nd i o x i d ef l o ww e r ed i s c u s s e d t h er e s u l ts h o w e d t h a tt h e o p t i m a lt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sw e r e ：2 5 m p a ，5 0 ，2 5 h a n d l3 k g h a n dt h eo r d e ro fd i f f e r e n te f f e c tf a c t o r so ne x t r a c t i o na m o u n tw a s e x t r a c t i o np r e s s u r e t e m p e r a t u r e t i m e c a r b o nd i o x i d ef l o w t h ea n t i o x i d a n ta c t i v i t i e si nv i t r oo fb c a r o t e n ea n d 1 3 一c a r o t e n ep l u sp q b h ta n dv cr e s p e c t i v e l yw e r es t u d i e db yd p p h m e t h o d i tw a sf o u n dt h a tb c a r o t e n eh a da n t i o x i d a n ta c t i v i t y ，t h el a r g e rt h ec o n c e n t r a t i o n ，t h es t r o n g e r t h ea n t i o x i d a n ta c t i v i t y t h es c a v e n g i n gr a t eo f1 3 - c a r o t e n eo fl6 0 m g lw a s 6 7 7 ，w a s4 6t i m e sa st h e1 3 一c a r o t e n eo f2 0 m g li n8m i n u t c s s c a v e n g i n g e f f e c t so nd p p h ，p gw a st h em o s ta c t i v ea n t i o x i d a n tc o m p a r e dw i t h1 3 c a r o t e n e ，b h ta n d v c ；b h tw a st h el c a s ta c t i v ea n t i o x i d a n t ；b c a r o t e n e w a ss i m i l a rt ov c 。t 3 一c a r o t e n ep l u sp ga n dv cr e s p e c t i v e l yh a ds y n e r g i s t i c e f f e c t so fa n t i o x i d a n ta c t i v i t yi nv i t r o ae x t r e m e l ys i g n i f i c a n te f f e c to fp g p l u sb c a r o t e n ew e r eg a i n e d t h es c a v e n g i n gr a t eo f 1 3 一c a r o t e n ep l u sp gw a s 51 9 6 w a s8 8 a n d2 7 7 m o r et h a np ga n db c a r o t e n er e s p e c t i v e l yi n1 m i n u t e h o w e v e r b c a r o t e n ep l u sb h td i dn o th a v et h eo b v i o u ss y n e r g i s m t h et h e r m a ls t a b i l i t ya n dt h el i g h ts t a b i l i t yo fb c a r o t e n ew a si n v e s t i g a t e d b ya n a l y z i n ga c t i v a t i o n o f b c a r o t e n ea td i f f e r e n tc o n d i t i o n b - c a r o t e n e w a sr e l a t i v e l ys t a b l et oh e a t i n g t h ea c t i v er a t eo fb c a r o t e n ew a s91 4 a t 7 0 ，3 0m i n ，a n dw a s 8 6 5 a t9 0 ，1 0 m i n t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i so f0 c a r o t e n ed e n a t u r a t i o ns h o w e dt h a tt h er e a c t i o nd e g r e eo fh e a td e n a t u r a t i o no f b c a r o t e n ew a s1 1 a t7 0 ，7 5 ，8 0 a n d9 0 ，dv a l u e sf o rp c a r o t e n e d e n a t u r a t i o nw e r e 6 6 7 3 5 m i n ，5 8 7 4 5 m i n ，5 4 4 9 5 m i na n d 3 7 1 2 8 r a i n r e s p e c t i v e l y w i t h i n t h e s e t e m p e r a t u r er a g e s z v a l u ef o rt 3 一c a r o t e n e d e n a t u r a t i o nw a s8 0 5 3 t h er e s e a r c ho ft h el i g h ts t a b i l i t ys h o w e dt h a tb c a r o t e n ew a sv e r ys e n s i t i v et ot h ed i r e c ts u n s h i n e ，w h i l ei tw a sr e l a t i v e l y s t a b l ew h e ni tw a sp u ti nt h en a t u r a il i g h tr o o ma n di nt h eh i d d e np l a c e t h e a c t i v er a t eo f1 3 一c a r o t e n ew a s51 2 0 a f t e rh a l f - d a y ，w a s1 0 9 a f t e r7d a y s i nt h ed i r e c ts u n s h i n e h o w e v e r ，i nt h en a t u r a ll i g h tr o o ma n di nt h eh i d d e n p l a c e t h e a c t i v er a t eo f1 3 c a r o t e n ew a ss t i l l8 5 59 a n d9 4 8 0 r e s p e c t i v e l ya f t e r7d a y s k e y w ords ：0 - c a r o t e n e ；s u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ee x t r a c t i o n ；a n t i o x i d a n t a c t i v i t yf nv i t r ojs t a b i l i t y dire c t e db y ：pro f h eyin f e n g a p p i ic a n tf o rm a s t e 。rd e g r e e ：c aixia o z h a n ( f o o ds c i e n c e ) ( f o o ds c i e n c ea n de n g i n e e r i n gc o l l e g e ，i n n e rm o n g o l i aa g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y ，h u h h o t010 018 ， c h i n a ) 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 引言 胡萝h ，又称“小人参”、“金参”、“金笋”或“赤珊瑚”，原产阿富汗， 后从伊朗传入我国。李时珍在本草纲目中称：“元时始自胡地来，气味 微似萝hy - o “4 1 胡萝h 既是普通的家常菜肴，又是具有极高营养价值和神 奇疗效功能的保健食品，每9 6 9 胡萝h 中含蛋白质l g 、脂肪0 2 9 、碳水化 台物8 8 9 、膳食纤维1 1g 、维生秦a0 6 8 8 m g r e 、胡萝b 素4 13 m g 、硫胺 素0 0 4 m g 、核黄素0 0 3 m g 、维生索c1 3 m g 、烟酸0 6 m g 、维生素e0 4 1 m g 、 钙3 2 m g 、磷2 7 m g 、钾1 9 0 m g 、钠7 1 4 m g 、镁1 4 m g 、铁1 m g 、锌0 2 3 m g 、 硒0 6 3 m g 、铜0 0 8 m g ，锰0 2 4 m g “j 。特别是其中的胡萝h 素含量位于各 种果蔬之首，是胡萝h 素含量居于第二位的茴香菜的1 7 倍n 1 。胡萝h 不 仅各种营养成分含量极为丰富，而且还有特殊的药用价值。本草纲目中 称胡萝h 有“下气补中，利肠胃，安五脏”之功效，胡萝h 还有强心、降 压、抗过敏、抗炎，抗癌及利便等作用”，。 1 8 3 1 年，科学家第一次从胡萝h 中提取出带有强烈的紫罗兰香味的红 色结晶体，称为胡萝h 素。1 9 0 9 年，英国剑桥大学教授霍普金斯发现，胡 萝h 素在人体小肠粘膜内经过一种特殊的酶的作用，能够迅速转变为维生 素a 。19 2 9 年，霍普金斯因此项研究工作荣获诺贝尔奖n ，。胡萝h 是我国 的传统蔬菜，历来有“小人参”之美誉，其种植广、产量大，是b 一胡萝h 素( 1 3 - c a r o t e n e ，b c ) 的天然提取资源。 b 一胡萝b 素是国家允许使用的食品添加剂，具有着色和营养作用。近 年来，胡萝h 素对人体作用的研究异常活跃。大量研究证实，b 一胡萝h 素 的许多生物功能与人类健康有密切关系，其生理活性已被越来越多地证实 并应用于疾病的预防和治疗。作为食品添加剂，b 一胡萝1 - 素主要起色素和 营养强化剂的作用。联合国粮农组织( f a o ) 和世界卫生组织( w h o ) 食品 添加剂委员会一致推荐并认定0 一胡萝h 素是a 类营养色素“。，。在医学上， b 一胡萝h 素除了用于v 缺乏和光敏患者的治疗外，还可用于皮肤病、抗 光敏症、支气管炎、慢性咽炎等疾病。另外，近年来国内外的大量实验证 明，b 一胡萝h 素能防治或延缓癌症，是癌症的对抗剂。不仅如此，它也是 一种难得的具有广泛免疫功能的药物和不可缺少的饲料添加剂i | 1 - i 。因此， 大力发展b 一胡萝h 素系列产品的加工，对提高我国人民的营养保健水平具 有重要的意义。随着对其认识的深入，8 一胡萝h 素的应用将更加广泛。 1 1 国内外对b 一胡萝l 、素的研究进展 1 1 1 b 胡萝l 、素的理化性状 b 一胡萝h 素，分子式为c 。h 。，分子量为5 3 6 8 8 ，呈深红紫至暗红色 2 超临界c d z 流体从胡萝i - 中萃取1 3 一胡萝h 索及其特性研究 有光泽的斜6 面体、板状微结晶或结晶性粉末，有轻微异臭或异味。稀溶 液呈橙黄色至黄色，浓度增大时带橙色，因溶液的极性可稍带红色。遇氧、 热及光不稳定，在弱碱下较稳定。不溶于水、丙二醇、甘油、酸和碱，溶 于二硫化碳、苯、氯仿、己烷及植物油，几乎不溶于甲醇和乙醇n - 。 1 3 一胡萝h 素分子为反向对称的化学结构，两端是1 3 一紫罗蓝酮环( 1 3 环和1 32 环) ，中间为四个异戊二烯 c h 。c h ( c h 。) c h c h ： 。b 一胡萝h 素在加 氧酶催化下，可生成二分子视黄醇( 如图1 ) n ”。 科玮 卜孵b 巅 妒” 图1目c 结构及其在加氧酶催化下生成两分子维生素维生素a 1 1 21 3 胡萝l 、素的生理功能 b 一胡萝b 素的生理功能主要表现在两大方面：一方面作为维生素a 的前体补充维生素a 的不足，另一方面主要表现在其抗氧化活性方面。 维生素a 是与健康密切相关的营养素，但人体摄入过量维生素a 会引 起急性及慢性中毒。1 9 2 8 年发现一分子的8 一胡萝h 素在体内酶的作用下 可转变为两分子的维生素a ”。而b 一胡萝h 素本身无毒性，当摄入大量的 b 一胡萝h 素时体内会产生积蓄，但不会引起中毒“，。此转化过程主要在 小肠和肝脏的粘膜进行，转化酶能在体内维生素a 缺乏时将1 3 一胡萝h 素转 化为维生素a ，当体内维生素a 的增加达到需要量时，酶即停止转化。因 此，即使摄入过量的1 3 一胡萝h 素，由于酶的自动控制，并不导致血液循环 中维生素a 水平的显著增加。故服用且一胡萝b 索既可补充人体维生素a 的不足，也可避免维生素a 过量的毒性，尤其可避免直接应用维生素a 的 不良反应m ，。 衰老的自由基学说表明，人体的许多疾病和衰老均与自由基的作用有 关。因此，清除体内过多的氧自由基有利于预防疾病和延缓衰老。而清除 氧自由基，除依靠体内的抗氧化酶外，还依赖于非酶的抗氧化物质，b 一 胡萝h 素便是其中之一”。b 一胡萝h 素是有效的抗氧化剂，能淬灭单线态 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 氧( o ：) 和捕捉并清除过氧化自由基1 1 3 - l4 ，。b 一胡萝h 素通过电子转移途 径、自由基加成途径、两条途径结合等三条途径与过氧化自由基反应而清 除后者”。b 一胡萝b 素的抗氧化功效目前应用于许多疾病的治疗，如： 自本世纪8 0 年代初，p e t o 提出b 一胡萝h 素可能有降低癌症危险性的假设， 对b 一胡萝h 素的研究就一直吸引着人们的注意力”“。目前医学上称b 一 胡萝h 素为肿瘤的化学预防剂。实验研究发，给正常细胞用致癌物质处理 后，细胞发生癌前变化，如果这时及时地添加些胡萝h 素，可以使这种变 化发生逆转，回到正常细胞的状态，如果不加胡萝h 素，细胞便渐渐朝着 癌细胞的方向发展n ；b 一胡萝h 素可增强免疫功能，包括t 、b 淋巴细胞 的增殖，对能杀伤肿瘤细胞的特异性效应细胞的诱导，以及在免疫活性细 胞间传递信息因子的分泌m ，；由于b 一胡萝h 素的抗氧化作用能有效地防止 d n a 和脂蛋白的氧化损伤以及阻止低密度脂蛋白( l d l ) 胆固醇氧化产物的 形成，因而能减缓动脉粥样硬化，进而预防冠心病等心脑血管疾病的发生 m ，；白内障是老年人常见的眼疾病，而眼晶体的氧化损伤和自由基的介入 是各种白内障形成的机理。因此类胡萝h 素的抗氧化作用还可用于预防老 年白内障的发生和发展，有文献报道，血清中b 一胡萝h 索水平低者其白 内障的发病率高于血清中b 一胡萝h 素高者“”；实验研究表明：b 一胡萝h 素对于髓系白血病细胞株h l 一6 0 细胞的增殖具有显著性抑制作用，其机制 可能是干扰的白血病细胞d n a 代谢，b 一胡萝h 素诱导白血病细胞凋亡也是 其抑制白血病的重要途径之一n 气日本东北大学最新实验证明：且一胡萝f 素可抑制老年性痴呆病患者红血球中过氧化脂质的蓄积，其防止老化的作 用引人注目m ：有学者选择了7 2 3 例胃癌和部分非肿瘤的消化道良性病变 做营养素与胃癌危险性的调查，发现b 一胡萝h 素、维生素c 与胃癌的发生 有直接关系m ，：b 一胡萝h 素对紫外线照射后的皮肤损伤有较好的保护作用 m ，b 1 a c kh s 等实验研究证明，b 一胡萝h 素是活性氧自由基的熄灭剂， 阻断紫外线在皮肤内引起的脂质过氧化链锁反应，防止有害自由基形成， 抑制u v b 诱导的皮肤癌发生n ”等等。 1 1 3b 胡萝l 、素的传统制备方法 目前，用于得到1 3 一胡萝h 素的方法有天然物萃取法、化学合成法、生 物合成法等“”。 1 1 3 1 天然物萃取法 目前，从天然植物中萃取1 3 一胡萝h 素的技术主要是有机溶剂提取技 术。常用的有机溶剂为甲醇、无水乙醚、石油醚，丙酮及石油醚一丙酮。但 4超临界c 0 。流体从胡萝l 、中苹取1 3 一胡萝h 素及其特性研究 大量的有机溶剂的使用会带来不同程度的污染，且不易回收，分离工艺复 杂“1 。 近年来，大量资料表明超临界流体萃取b 一胡萝b 素可以大大提高其产 率。尤其是超临界c 0 ：流体萃取技术具有无毒、无害、无残留、无污染、 惰性环境、可避免产物氧化和萃取温度低等优点，适用于食品生物活性物 质、热敏性物质的分离提取“一w 。 1 1 3 2 化学合成法 化学合成法是指采用有机化工原料，通过化学合成反应，人工合成b 一 胡萝h 素的一种方法。 采用化学合成法人工合成的1 3 一胡萝b 素几乎完全是反式异构体形式， 不具备许多天然b 一胡萝b 素的生理功能。另外，采用化学方法合成的0 一 胡萝b 素由于不能完全被人体吸收，并对人体产生一定程度的毒副作用， 长期服用还会对人体产生不可逆转的病变，因而不被大多数食品学家所接 受。天然提取的b 一胡萝b 素易于被人体吸收，并具有较好的抗氧化能力， 从而形成较高的需求热潮“1 。 1 1 3 3 生物合成法 生物合成法是指利用微生物培养技术，通过微生物的培养，利用微生 物在其体内合成b 一胡萝b 素，然后自微生物体内分离得到1 3 一胡萝n 素的 一种方法。生物合成法存在着生产条件苛刻、产量小等缺点，无法大面积 推广nw 。 b 一胡萝b 素易于氧化，所以不管采用何种制各方法，都必须防止生产 过程中口一胡萝h 素不必要的损失。针对目前b 一胡萝b 素供不应求的状况， 探索出一种成本低、产率高、无污染、无毒害的b 一胡萝b 素制备方法非常 必要。 1 2 国内外对天然1 3 胡萝l 、素及其产品的开发研究状况 根据b 一胡萝b 素的功能和作用，目前国际市场上一般将b 一胡萝b 素 产品划分三类：一类是作为食品、化妆品的天然色素产品；二类是作为v 的前体产品，用于治疗由于缺乏v 引起的各种疾病，如上皮细胞角质化、 皮肤干燥、表皮组织改变面受到病菌侵袭、胃肠粘膜表皮受损引起的腹泻、 泪腺分泌障碍引起的干眼病、夜盲症等：三类是作为1 3 一胡萝h 素具有刺激 免疫、防止癌变、防止心血管疾病的生理功能产品，此类产品开发现已受 到世界各国医学界的关注m 。 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 目前，全世界b 一胡萝b 素的年需求约为l o o o 吨左右，且需求量每年 以7 - 9 的速度增长。美国的需求量近些年以1 0 一1 5 的速率递增，且在欧 美和日本等国已形成市场。美国已于1 9 8 5 年将天然胡萝b 素编入“美国药 典”。在我国其年销售量约为4 - 5 吨，基本上依赖从国外进口。b 一胡萝b 索作为食品添加剂和营养补充剂已被联合国粮农组织( f a o ) 和世界卫生组 织( w h o ) 食品添加剂联合专家委员会推荐，被认定为a 类优秀营养色素， 并在世界5 2 个国家和地区获准应用。b 一胡萝b 素在保健品和医药品行业 有极大的新市场 b - a 1 。 近几年，我国b 一胡萝h 素的需求量也在逐年上升，但主要依赖于进口。 从目前的现状来看，b 一胡萝b 素的主要用途仍然是作为天然色素和营养强 化剂。由于成本高等原因，b 一胡萝b 素的使用目前还面临一定的困境。我 们相信随着经济的飞速发展、科技水平的迅猛提高，造成目前困境的所有 问题与障碍将会被一一解决，同时，随着对b 一胡萝b 素所具有的医疗保健 作用的逐渐重视，在不久的将来人们对b 一胡萝b 素的需求量肯定会大幅度 增长，市场也会逐渐拓展宽广c ，。 1 3 超临界流体萃取技术 1 3 1 超临界流体萃取技术的概念、原理及主要设备 超临界流体萃取( s u p e r c r i t ic a lf l u i de x t r a c t i o n ，简写s c f e ) 是一 种新型的萃取分离技术。该技术是利用流体( 溶剂) 在临界点附近某一区 域( 超临界区) 内，与待分离混合物中的溶质具有异常相平衡行为和传递 性能、且对溶质溶解能力随压力和温度改变而在相当宽的范围内变动这一 特性而达到溶质分离的一项技术n ”。 当流体的温度和压力处于它的临界温度和临界压力以上时，称该流体 处于临界状态。图2 所示为纯流体的典型压力一温度关系。图中临界点对应 的温度为临界温度，对应的压力为临界压力。高于临界温度和临界压力的 有阴影线的区域属于超l 临界流体状态。此时，向该状态气体稍稍加压，气 体不会液化，只是超临界流体的密度显著增大，几乎可与液体相比拟，具 有类似液体的性质，同时还保留气体的性能，但表现出若干特殊性质，气 体、液体和超临界流体的性质n ”。 超临界流体( s u p e r c r i t i c a lf l u i d ，s c f ) 是处于临界温度( t c ) 和临 界压力( p c ) 以上，介于气体和液体之间的流体。超临界流体的传质属性 是指超临界流体的三个性质：密度、粘度和扩散性。表1 显示了超临界流 体和通常的气体和液体性质数据间的比较。超临界流体的密度与液体的密 度相近，但其粘度却比液体要小近百倍，为此其流动性要比液体好得多n “。 6超临界c 0 2 流体从胡萝l 、中萃取b 一胡萝h 寨及其特性研究 溶质在超临界流体中的扩散系数虽然比在气体中的要小几百倍，但却比其 在液体中的要大几百倍，这表明在超临界流体中的传质阻力比在液相中的 传质阻力要小得多m ，。超临界流体既具有液体对溶质有比较大溶解度的特 点，又具有气体易于扩散和运动的特性，传质速率大大高于液相过程。也 就是说超临界流体兼具气体和液体的性质。超临界流体最重要的性质是具 有很大的压缩性，压力和温度微小的变化都可以引起流体密度较大的变化， 超临界流体的溶解能力主要取决于密度，密度增加，溶解能力增强，密度 减小，溶解能力减弱，甚至丧失对溶质的溶解能力。因此，人们可以利用 压力、温度的变化来实现萃取和分离的过程。“3 ”。 1 0 9 1 08 o 邑 r 10 7 埘 温度( ) 图2 纯流体的压力- 温度关系 表1超临界流体物性对比表 密( k g m 3 、 粘度x1 0 5 ( k g m * s ) 2 6 i 3 自扩散系数0 1 o 6 10 4 r m 2 i s ) 2 0 0 5 0 04 0 0 9 0 06 0 0 1 6 0 0 卜33 9 o 7 1 0 30 2 1 0 3 2 0 3 0 0 利用溶质在超临界流体( s c f ) 中的溶解度与温度和压力的关系，进行超 临界流体的萃取操作。溶质在s c f 中的溶解度可以认为随s c f 的密度增太 而增大，而流体的临界压力一般都比较高，使得超临界流体具有接近于液 塑茎点壅些查兰塑主兰堡堡塞 ： 体一样的密度。但s c f 的密度不同于液体的密度，它会随流体压力和流体 温度的改变而发生显著的变化。利用这一性质，可在较高压力下，使溶质 溶解于s c f 中，调节系统的操作压力和温度，在一个适当的温度和压力下 使流体具有较大的密度即对物质具有较大的溶解能力，被萃取组分便溶解 在流体中，然后降低s c f 的压力，或升高其温度，这样溶解于s c f 中的溶 质就会因s c f 的密度下降，溶解度降低而析出，从而实现被萃取组分的分 离和提纯n 5w 。 自1 9 9 3 年我国自行研制的第一台超临界萃取设备问世，超临界萃取装 置的研究也取得了一定进展，但与国外设备相比自动化程度不高，工艺参 数控制精度不够n ”。超临界流体萃取装置主要包括前处理、萃取、分离三 部分。主要设备有：压缩机、泵、阀门、换热设备、萃取釜、分离釜、贮 罐等n “。 1 3 2 超临界流体萃取技术的优点 超临界流体萃取技术与其他萃取技术相比具有许多无可比拟的优点”3 ： ( 1 ) 超临界流体具有一个独一无二的优点，即其萃取能力与流体密度 近似成正比，而密度很容易通过变温、变压进行调节。一种超临界流体萃 取剂可以通过极性调节适应不同的处理对象，无需像传统萃取那样针对不 同的萃取对象挑选不同的容积： ( 2 ) 由于超临界流体萃取操作条件一般比较温和，因此特别适合于分 离受热易分解的热敏性物质； ( 3 ) 超临界流体萃取技术既利用了萃取剂和被萃取物质间的分子具有 较好的亲和力实现分离，又利用了混合物中个别组分的挥发度的差别，因 此具有较好的选择性； ( 4 ) 超临界流体大多数是低分子的气体，回收简单方便，节省能源。 只需通过等温降压或等压升温等简单操作，被萃取物就可与萃取剂分离； ( 5 ) 超临界流体萃取技术节省能源，污染小，无残留。 1 3 3 超临界流体的选择 用作萃取剂的超临界流体应具备以下条件：( 1 ) 化学性质稳定，对设备 没有腐蚀性，不与萃取物发生反应；( 2 ) 临界温度应接近常温或操作温度； ( 3 ) 操作温度应低于被萃取的溶质的分解变质温度；( 4 ) 临界压力低，以节 省动力费用：( 5 ) 对被萃取物的选择性高；( 6 ) 纯度高，溶解性能好，以减 少溶剂的循环用量：( 7 ) 货源充足，价格便宜“。 到目前为止，已研究过做萃取剂使用的流体主要有乙烷、乙烯、丙烷、 8超临界c 0 2 流体从胡萝i 、中萃取1 3 一胡萝h 素及其特性研究 丙烯、甲醇、乙醇，二氧化碳等。其中二氧化碳的临界温度为3 1 0 6 c ， 在众多超临界溶剂中是最接近室温的，临界压力为7 3 9 m p a ，也较适中， 容易操作。但其临界密度为0 4 4 8 9 r a 3 ，在常用的超临界溶剂中是最高的。 由于超临界流体的溶解能力一般随流体密度的增加而增加，因此可知二氧 化碳流体是最适合做超临界溶剂用的。除此之外，以二氧化碳为萃取剂的 超临界流体萃取还具有如下特点”“： ( 1 ) c o ：化学稳定性好，不易燃、爆，不腐蚀设备： ( 2 ) c o ：无毒、无味、无色，不污染产品； ( 3 ) c o 。制取费用低，易得高纯度气体； ( 4 ) c o ：操作温度低，所以对高沸点、高粘度、热不稳定物质特别适 用； ( 5 ) c o 。容易与萃取物分离，无残留，产品质量高； ( 6 ) 超临界c 0 ：流体还具有抗氧化、灭菌等作用，有利于保证和提高 产品质量； ( 7 ) 超临界c o ：流体萃取过程的操作参数容易控制，因此，有效成分 及产品质量稳定且工艺流程简单，操作方便，节省劳动力和大量有机溶剂， 减少“三废”污染。 1 3 4 国内外超临界流体萃取技术的研究进展及其在食品工业中的应用 伴随着人类社会的进步，饮食文化的内涵不断丰富。人们对食品提出 了方便性、功能性、消遣性等更多的要求，同时还越来越强调其安全性， 希望能用最简单的方法得到高质量的能满足自己各种需求的食品。因此食 品工业的发展都打上了同时代社会和科学技术发展的烙印。另一方面，随 着社会的发展和生存环境的不断恶化，人类“回归自然”的呼声越来越高， 对食品需求增多的同时，对其质量要求也越来越高。提高食品的质量，研 究开发高附加值、高档次、高质量的食品是适应市场经济和人们健康的要 求，特别是我国加入w t o 后，如何提高我国食品的市场竞争力和市场占有 份额是一个亟待解决的问题。因此，借助现代高新技术手段，改革传统加 工工艺以获取高质量的食品已成为当务之急。超临界流体萃取技术作为一 种新兴的化工分离技术，尽管在应用过程中面临设备一次性投资较大的问 题，在操作成本上比传统的水汽蒸馏法和有机溶剂萃取法都高，但因其具 有纯净、安全、保持生物活性、不易受热分解、稳定性强、色味纯正及提 取率高等优点而成为食品工业中一种具有相当发展潜力的高新提取分离方 法，”。 早在1 8 7 9 年，有关超临界流体( s c f ) 对液体和固体物质具有显著溶 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 解能力这种物理现象，h a n n a y 和h o g a r t h 就有过报道”“，但超临界流体萃 取技术却迟迟在2 0 世纪7 0 年代后期才有大量研究报道。2 0 世纪5 0 年代， 美国的t l d d 和e 1 9 i n 从理论上提出s c f 用于萃取分离的可能性。6 0 年代 以后，原西德对这一领域首先做了许多基础和应用的研究。1 9 7 8 年1 月在 原西德e s s e n 首次召开“超临界流体萃取”国际会议，从基础理论、工艺 过程和设备等方面讨论了该项新技术，可称为是现代超临界流体萃取技术 开发的里程碑。这次会议不仅对该技术的推广应用产生巨大影响，也促进 了对更多相关问题的讨论。同年z o s e ln “”提出可以用超临界c o 。萃取咖啡 豆种的咖啡因，并在联邦德国建成了咖啡豆脱除咖啡因的超临界c 0 ：流体 萃取的工业化装置，分离过程采用c o 。为萃取剂，这是世界上第一座应用 超临界流体萃取的工厂，到1 9 9 1 年不到1 3 年的时间内，世界上将近建立 了1 5 套脱咖啡因的超i 临界c o ：流体萃取的工业化装置。随后，采用超临界 c 0 ：流体萃取技术从啤酒花中萃取酒花浸膏的大规模工业化装置也先后在 联邦德国、美国等地投产。迄今为止，超临界c o ：流体萃取最成功的工业 化应用是脱咖啡因和啤酒花萃取。后来，使用超临界丙烷从渣油中脱除沥 青的r o s e 过程也有多套工业装置先后运转。至此，超临界流体技术名声大 振，受到人们的广泛关注。2 0 世纪8 0 年代以来，国际上投入了大量的人 力、物力进行研究“4 1 + 4 1 。在发达国家，超临界流体萃取技术发展很快， 已普遍用于医药、食品、香料、石油化工、环境保护等领域，成为获得高 质量产品的最有效方法之一。各国纷纷推出各具特色的提取装置，已从实 验室走向工业化“”。国际上己将超临界流体萃取技术应用到食品工业中的 多个方面，主要包括：脱咖啡因、啤酒花的萃取、从白酒中提取香味、用 脱脂的米和酒曲酿制清酒、鱼油的提取、藻类油腊的萃取、萃取及精制小 麦胚芽油、麦胚中天然维生素e 的提取、萃取沙棘油、萃取大豆油、萃取 水冬瓜油、磷脂的分离与提纯、食用天然色素的提取等m ，。然而，超临界 c 0 ：流体萃取作为一种全新的化工分离技术，长期以来，其研究多为简单萃 取，处理的物料也多以固体植物为主，得到的是粗提的混合物，几乎得不 到高纯度产品。为了得到纯度较高的高附加值产品，对超临界流体逆流萃 取和分馏萃取的研究越来越多。德国、法国、日本、澳大利亚、意大利和 巴西等国在这方面做了很多的研究工作。目前研究的体系有甾醇一维生素 e 、柑橘油和各种不饱和脂肪酸；研究的内容有相平衡、理论级计算、理 论塔板高度和传质单元高度的确定、工艺操作条件的优选、萃取柱内的浓 度分布、能耗估算、萃取柱设计、过程工艺与设备的数学模拟等”。 我国超临界c 0 。流体萃取技术的研究开发也是从食品方面起步，围绕我 国丰富的自然资源开展了大量的试验与探索研究。从2 0 世纪7 0 年代末8 0 l o 超临界c 0 2 流体从胡萝i 、中军取b 一胡萝h 索及其特性研究 年代初开始，我国一些大专院校和科研院所分别采用进口装置、原化工部 光明研究设计院与广州市轻工业研究所研制的o 5 一1 5 l 小实验装置和 5 - 5 0 l 中试放大装置以及一些自制的小装置对超临界流体萃取技术，尤其 是超临界c o 。流体萃取技术进行了大量的应用研究，开辟了一个全新的研 究领域。目前，我国在天然物提取方面使用超临界萃取技术研究出了一批 可以工业化生产的产品，内容涉及玉米胚芽油、小麦胚芽油、蛋黄油和卵 磷脂、螺旋藻等n ”。我国的超临界流体萃取技术的基础和应用研究虽然取 得了巨大进步，但由于超临界流体萃取技术在工艺、设备和工程上尚存在 许多难点及受国内行业综合技术水平的限制，与世界先进水平相比，还存 在相当大的差距，如：设备质量不高、测量手段较为落后、研究的深度和 广度不够等等。因而，对此技术的开发利用还需做大量的工作n “。我们 相信，随着与超临界流体萃取技术相关的基础知识研究的不断深入和工程 化技术的不断开拓和完善，超临界流体萃取技术在食品方面的应用前景必 将越来越广阔。 1 4 研究的主要内容及意义 本课题研究的内容主要包括三个方面： ( 1 ) 利用超临界c 0 ：流体萃取技术，从胡萝h 中萃取b 一胡萝h 素的工 艺研究： ( 2 ) 0 一胡萝h 素的体外抗氧化研究； ( 3 ) b 一胡萝b 素的稳定性研究。 近2 0 年的研究使人们对1 3 一胡萝p 素有了越来越多的了解。高膳食b 一 胡萝h 素的摄入可降低癌症危险性的观点已得到验证，但应用化学合成的 b 一胡萝h 素进行癌症预防试验却遭到了失败n ”。目前，在1 3 一胡萝h 素市 场上，大部分产品均为化学合成品，根据近年来的研究报道，合成品中的 b 一胡萝h 素全为全反式构型，而天然b 一胡萝f 素除有全反式构型外，还 含有程度不同的9 顺式和1 5 顺式构型，其中9 顺式1 3 一胡萝h 素在胡萝 h 的遗传毒性和抗遗传毒性中起着关键性作用。研究表明，不含9 顺式b 一胡萝h 素的合成b 一胡萝h 素和天然1 3 一胡萝1 - 索相比抗遗传毒性较弱，高 剂量时自身还有明显的毒性，而含9 顺式1 3 一胡萝h 素的天然1 3 一胡萝f 素，即使在高剂量区，也无明显遗传毒性u ”。由此可见，天然b 一胡萝h 素 较之化学合成的b 一胡萝h 素具有更好的抗癌功效且无毒副作用，因此大力 发展天然b 一胡萝h 素产品以代替化学合成的b 一胡萝h 素产品，对促进人 类健康有重要意义，也有着更为广阔的应用市场“，。内蒙古地区胡萝h 种 植广、产量大，为提取天然b 一胡萝b 素提供了丰富的资源。如何从胡萝h 内蒙古农业大学硕士学位论文1 1 中提取具有营养和保健作用的天然b 一胡萝h 素，对科研生产具有重大的现 实意义。由于1 3 一胡萝h 索是脂溶性物质，在5 0 、2 9 5 m p a 下，纯b 一胡 萝h 素在c o ：中的溶解度为5 3 9 m 3 ，与原料中其它复杂有机组分共存时 的溶解度会更大，因此，采用超临界c 0 。流体萃取1 3 一胡萝h 素具备可能性 m ，。如果采用具有高提取率、无溶剂残留的超临界c 0 ：流体萃取技术进行 具有生物活性的b 胡萝h 素的提取，则既可保持b 胡萝p 素的天然特性， 又可使之转化为高附加值产品，显著提高经济和社会效益。本试验以超临 界c o ：流体萃取技术为提取手段，研究不同萃取条件下超临界c o ：流体对1 3 胡萝h 素萃取效果的影响，并确定用超临界c o 。流体萃取技术从胡萝h 中 提取b 胡萝h 素的最佳工艺条件，以期为胡萝h 这一天然1 3 胡萝h 素提 取资源的开发作些贡献。 另外，生物体系中包含着大量脂质氧化和自由基反应，脂质氧化产物 严重影响细胞功能，且活性氧自由基与致癌、衰老、疾病的发生密切相关 ”“。近年来，生物抗氧化剂的研究已引起广泛关注。愈来愈多的研究证实 自由基引发的脂质过氧化是引起心血管疾病、癌变、白内障、细胞衰老等 许多慢性疾病的重要原因之一。许多小分子生物抗氧化剂如维生素e 、维 生素c 、b 胡萝h 素等可以通过切断过氧化链反应来抑制脂质过氧化，从 而保护肌体免受自由基损伤，防止上述疾病。“抗氧化剂治疗学”己开始引 起人们的注意”。其中，b 胡萝h 素是非常重要的生物抗氧化剂，对人 们的生活与身体健康有着极为重要的作用，它与人类健康的关系变得越来 越密切。研究证明，b 胡萝卜素能减少自由基对细胞遗传物质( d n a ，r n a ) 和细胞膜的损伤n “，。t h u e n h a nd i 认为，抗氧化的物质可以分为两种类型： 一种为预防型抗氧化剂，这是一种由代谢控制的必需预防系统，如核黄素 和视黄醇等：另一类为链断裂型抗氧剂，它又可以分为具酶性质和非酶型 的抗氧化剂，前者如过氧化i 氢酶、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶 等，后者如水溶性的抗坏血酸和谷胱甘肽，脂溶性的生育酚、胡萝h 素、 番茄红素、叶黄素和泛脂等m ，。b 一胡萝h 素的抗氧化作用是基于它分子中 含有多个共轭多烯双键的特殊结构。这种结构使它能与含氧自由基发生不 可逆性反应，生成非常稳定的以碳为中心的自由基，这个碳核自由基可以 迅速可逆地与氧反应生成一种新的带链的过氧化自由基。b 一胡萝h 素所具 有的清除体内含氧自由基以及淬灭单线态氧的抗氧化作用使它能有效地预 防多种疾病的发生发展，尤其是对某些肿瘤和心血管疾病。但有关b 一胡萝 h 素的抗氧化作用与其预防疾病的机制以及在人体中的吸收、代谢途径还 并不十分清楚，并且受多种因素的影响n ”。目前，对b 一胡萝h 素清除自 由基和抑制脂质过氧化效应的探讨已得到普遍关注。而b 一胡萝h 素与其他 2 超临界g o , 流体从胡萝l 、中革取墨一胡萝 嚣及其特性研究 物质所表现出的协同抗氧化性一直缺乏全面深入的研究。本试验研究了采 用超幅界c o ：流体萃取技术萃取的b 一胡萝 素的体外抗氧化活性，并与v 。 没食子酸丙酯( p g ) 及2 ，6 一二叔丁基对甲酚( b h t ) 的体外抗氧化活性进 行比较，旨在进一步了解天然b 胡萝h 素的抗氧化活性。除此丽外，本试 验又研究了超临界c o 。流体萃取技术萃取的天然1 3 一胡萝h 素与v 。、天然b 一胡萝h 素与p g 以及天然8 一胡萝h 素与b h t 的协同抗氧化作用，渴望让 天然b 一胡萝h 素更好地发挥其抗氧化作用。 此外，本试验还研究了温度、光照对p 一胡萝h 素的稳定性的影响，不 仅为合理开发利用自然资源、拓宽市场敢一定的贡献，而且从理论上为其 安全使用、后期贮藏及实际生产提供科学的理论依据，具有重要的价值。 2 材料与试验方法 2